前言

最近有两位小伙伴跟我说，网上看到一篇文章说，在 python 中使用 pandas 连接两个表，别用 merge ，要使用 join，因为在大量数据的情况下 join 比 merge 要快4到5倍。

其实这说法我一听就知道是错误的。不过当时没有具体证据支持，所以我也没有下具体结论。

今天，我就从源码的角度，给大家一个参考依据。

当然，本文你还会学到一些代码调试技巧，还会看到一些 pandas 的优化手段。

join 比 merge 快很多？

那篇文章中的测试大概如下：

import pandas as pd
import numpy as np
from time import time

high = 1000
rows_list = [(i + 1) * 1_000_000 for i in range(10)]
n_columns = 4
repeat = 5

def create_df(n_rows, n_columns, col_names):
    data = np.random.randint(low=-high, high=high, size=(n_rows, n_columns))
    index_col = np.arange(0, n_rows)
    np.random.shuffle(index_col)
    data = pd.DataFrame(data, columns=col_names, dtype=np.int16)
    data["idx"] = index_col
    return data

for n_rows in [10_000_000]:
    sum_time_merge1 = 0
    sum_time_merge2 = 0

    for _ in range(repeat):
        df1 = create_df(n_rows, n_columns, [f"col_{i}" for i in range(n_columns)])
        df2 = create_df(n_rows, n_columns, [f"Col_{i}" for i in range(n_columns)])

        # merge
        start = time()
        df = pd.merge(df1, df2, how="left",left_on = 'col_0',right_on='Col_0')
        sum_time_merge1 += time() - start

        ## join
        start = time()
        df1.set_index("idx", inplace=True)
        df2.set_index("idx", inplace=True)
        df = df1.join(df2)
        sum_time_merge2 += time() - start

    result.append([df1.shape[0], sum_time_merge1 / repeat, sum_time_merge2 / repeat])

print(pd.DataFrame(result, columns=["行数", "merge耗时(秒)", "join耗时(秒)"]))

• 跑一千万数据，5次，取个平均
• 使用 df.join 有个前提，把2个表的关联key的列设置为行索引
• merge 则使用普通的列作为关联key
• 我这里生成的key 是唯一的。足以复现原文的效果

看看结果：

嗯？还真快了这么多！

但是为什么我一开始听到这说法，不用做任何的实验，就觉得这观点有问题？

其实道理很简单。

假如今天你实现了一个功能函数：

• 功能很简单，把一个列表中的数值，先转成正数，然后求和

明天，你需要实现另一个功能很接近的函数，只不过输入的不是列表，而是2个具体的数值。显然你会想着调用之前的函数：

同样道理，join 函数明显是 merge 函数的一个特例。pandas 的设计者不会傻到用两套不一样的方式实现它们。

但是，别人给出来的实验结果确确实实反应了它们的差异。

接下来，我们就看看它们实现的源码。

源码找答案

首先，新建一个 python 文件，把代码设置得简单一些。

打开调试窗口，点击创建 python 的调试配置。

• 这里最重要的是设置 justMyCode 为 false 。这样子我们才能进入 pandas 源码里面

接着，在 merge 函数那一行打开一个断点

执行调试

代码会停在断点的行，接着我们要点击控制菜单中的下一步(也可以用快捷键)。

可以看到，merge 函数实际调用的是 pandas.core.reshape.merge.merge ，暂时不深入

如果你看过我之前关于类定义的文章，那么不用看里面的实现也知道，这里只不过实例化了一个对象，记录了一些相关数据而已，重要的是下方的 get result 函数

同样道理，调试 join 函数

咦？它的实现与 merge 不一样？别急，继续执行，直到

进入一看，又跳回到之前 merge 函数的实现

从左侧的调用堆栈中可以看到调用顺序：

• 1 是join调用
• 2 是 join compat
• 3 就是上图右边的代码

你可以点击调用堆栈中的一行，代码会跳回去，就连当时执行中的所有变量的值都可以查看

简单列一下大概的调用图：

• join 函数绕了一圈才到真正执行的地方

所以现在我们知道，join 函数其实比 merge 函数执行更多的代码。

但是，之前的实验数据很好地说明了 join 比 merge 快呀，为什么？

不公平的对比

按调试流程，我们进入之前看到的 op.get result 函数里面：

进入这个 self._get_join_info() 里面：

可以看到许多关于 left index 和 right index 参数的判断。但是 我们使用 merge 的时候根本没有设置这两个参数，它们都是 False。

结果就会进入这段代码：

这是一个 python 的遍历代码，一个个去匹配 key 值

而 join 函数执行的却是：

• 直接调用行索引对象的函数

了解这些要点，相信聪明的你也知道要这样子修改实验代码：

• 把设置行索引的代码移除两个函数执行的范围外
• merge 设置参数 left index 与 right index

但是，结果却出乎意料！！

对比一下之前的时间：

解释一下差异：

1. join 的耗时短了很多，因为现在它没有设置行索引的操作
2. merge 耗时也短了很多，因为现在它内部用了行索引

但是，为什么 merge 耗时仍然比 join 要慢很多？

pandas 的优化

此时，我们把实验代码中执行 merge 和 join 的先后顺序调换一下：

• 注意，记录时间的变量的对应关系没有变，所以这不会影响结果表格的左右顺序

看看结果：

现在，结论截然相反！

为什么？显然，有什么东西在第二次运行的时候，得到了优化。

在之前的源码调试中，我们得知，其实两个表按行索引关联，最核心的计算就是行索引对象的 join 函数。

按这个原理以及之前的调试方式，可以找到一个属性。具体过程我就不再啰嗦了，直接给出验证结果：

在 join 的过程中，有一个判断逻辑，如果行索引的值都是唯一的，那么会进行一些操作。

直接看看它的源码

缓存了结果。

道理很简单， pandas 怎么可以知道一个行索引的值是否唯一？显然要遍历一次数据。这个过程在大量数据的时候成本很高。由于索引对象是不可变的，所以可以缓存结果。

那么，现在我们修正一下测试实验的代码，让它公平对待：

现在的结果是：

很多小伙伴问我怎么学习 pandas 。正如我专栏里面的思路，集中学习少数核心常用的函数和原理，你的学习之路才能事半功倍。

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